建立专属的LabVIEW FPGA I/O

　　过去 30 年来，客制化已成为测试与量测领域最显着的趋势。　　从虚拟仪控问世的早期开始，即透过图形化系统设计 (Graphical System Design，GSD) 提供客制按钮、旋钮，与使用者介面，以完成系统的模型制作；而此功能性的平衡，已从制造商定义的整体观点，转移为使用者定义的客制需求。最近此种弹性更从软体向下延伸到晶片：从资料撷取应用到复杂且动态的测试系统，均可透过 FPGA 提供强大的客制功能。　　在使用者进行设计
　　过去 30 年来，客制化已成为测试与量测领域最显着的趋势。
　　从虚拟仪控问世的早期开始，即透过图形化系统设计 (Graphical System Design，GSD) 提供客制按钮、旋钮，与使用者介面，以完成系统的模型制作；而此功能性的平衡，已从制造商定义的整体观点，转移为使用者定义的客制需求。最近此种弹性更从软体向下延伸到晶片：从资料撷取应用到复杂且动态的测试系统，均可透过 FPGA 提供强大的客制功能。
　　在使用者进行设计程式的仪器控制趋势中，NI 的工具一直居于领先地位。最新版的 NI labview FPGA Module 提升了定点功能元件组块 (Fixed-Point IP) 的支援功能、附加 IP 包含分窗 (Windowing) 与有理重新取样 (Rational Resampling)，还有更高效率的开发和除错工具。在硬体方面，NI 新推出的 Xilinx Virtex-5 R 系列模组采用最新的 FPGA 威廉希尔官方网站 ，可提升程式码执行速度与 LabVIEW 程式码的容量。然而，对最严苛的系统需求或特殊应用，这些先进功能尚不一定能够满足特殊 I/O 的需要。
　　近期最值得一提的威廉希尔官方网站 跃进，即为适用于 PXI 的 NI FlexRIO 硬体；不仅整合了其他 NI 系统中的 LabVIEW FPGA 威廉希尔官方网站 ，并具有开放式的使用者客制前端。透过 NI FlexRIO FPGA 模组所提供的 PXI 主机通讯架构，与用于程式码布署的大型可程式化系统，此新平台可协助工程师客制其资料撷取或测试应用，以满足包含数位、类比、RF，或其他类型 I/O 的必要需求。

　　图 1. NI FlexRIO 系统包含 1 个转接器模组与 1 个 PXI FPGA 模组，提供新的 LabVIEW FPGA 应用客制功能
NI FlexRIO 的最小组成单元
　　NI FlexRIO 最与众不同的特色，即是位于 FPGA 前端的架构 ― 什么都没有。由于可直接存取实体FPGA 针脚，工程师可决定要将何种类型的讯号新增至 LabVIEW FPGA 系统中。为了达成此目标，所有的 NI FlexRIO 均需要 2 项独立的硬体组件：转接器 (Adapter) 模组与 PXI FPGA 模组。
　　如同其他 NI FPGA 架构的硬体装置，NI FlexRIO FPGA 模组具有 1 组 Virtex-5 FPGA，可让工程师使用LabVIEW 进行程式设计 (如表 1)。NI R 系列资料撷取 (DAQ) 介面卡，整合 FPGA 与类比数位 (ADC) / 数位类比转换器 (DAC)，还有数位缓冲记忆体 (Buffer)，进而提供标准的 I/O功能集。但在 NI FlexRIO FPGA 模组上，FPGA 针脚是直接连至前端接头；因此工程师不需特别指定额外的电路。基于这个原因，NI FlexRIO FPGA 模组的规格即为 FPGA 本身的规格：66 个差动通道，每差动对 (Differential Pair)可达最高 1 Gb/s；或为 132 个单端点通道，可达最高 400 Mb/s。此外，NI FlexRIO FPGA 模组更内建记忆体与外接时脉的功能，均可为高效能测试应用提供显着的优势。
　　每个前端转接器模组均定义了 NI FlexRIO 系统的特定 I/O 功能。不管是 NI、其他制造商，或一般使用者，均可开发自己所需的转接器模组。拥有 PCB 配置经验的使用者，更可针对测试或设计应用以指定所需的前端，并以电路元件建置转接器模组。由于 PXI 介面的 NI FlexRIO FPGA 模组，必须处理复杂的资料移转、记忆体介接作业，与相关软体，因此转接器模组可设计为仅管理特定应用的介接作业。有了这样的认知，使用者即可自行设定各组 NI FlexRIO，使之具备测试系统所需的转换器、缓冲记忆体、时脉，甚至 I/O 接头。
　　以 NI 6581 为例，该款 NI FlexRIO 转接器模组为 100 MHz 的单端点数位 I/O 转接器模组，其硬体设计近似于其他高速数位 I/O 介面卡 (不具任何 LabVIEW FPGA 以外的固定式软体程式设计介面)。NI 6581 具有 54 个数位 I/O 针脚、可选择的电压准位，并可外接 VOH/VIH 参考；针对严苛需求的高效能测试应用提供所需的功能与弹性。工程师可透过 LabVIEW，于晶片中建置运算式图形 (Algorithmic pattern) 产生功能、协定知觉 (Protocol-Aware) 测试，或其他复杂的数位威廉希尔官方网站 。虽然此高速 I/O 介面卡，缺乏固定功能驱动程式 API (NI 模组化仪器的特色) 的简单易用性与立即可用功能，却提供极强的弹性与处理效能。

　　表 1. NI FlexRIO FPGA 模组具有 Virtex-5 FPGA，并内建最多 128 MB 记忆体，以满足严苛的应用需求
NI FlexRIO 客制转接器 (Adapter) 模组
　　NI FlexRIO 的目标，是能完美整合商用现货 (COTS) 硬体与客制 I/O 前端。举例来说，半导体产业的多项应用均需要特制 I/O。高速数位讯号的范围可能介于 1 Gb/s ~ 10 Gb/s，且往往包含多种数位标准 (LVDS、ECL、XAUI，还有更多) 与多重十亿位元收发器 (MGT)。目前市面上所提供的类比数位转换器 (ADC) 即可透过高频宽，以每秒十亿 (Giga) 取样的速度进行取样。这 2 种案例均需要特定的前端元件、匹配的走线阻抗 (Trace Impedance)，并需要不同的电源功率考量。即便系统中的特定机械零件亦更显重要，从接头种类到连接线长度均息息相关。由于测试需求愈行特殊，工程师亦难以于有限时间内，利用现成硬体建立高效能的测试系统；虽然工程师某些时候较偏好客制的开发程序，但往往均为了达到特殊的系统需求，才会采用此种建置方式。
　　NI FlexRIO 转接器模组开发工具 (Module Development Kit，MDK)，则提供完整的电子与机构设计文件，并包含 CAD 档案与通用的金属外壳。当工程师开发电路简图时，即可使用相关说明，且几乎可选择任何 1 款 CAD 软体以设计 PCB。一旦工程师建构 PCB 之后，可立即生产所需元件，并新增所需的机器接头，尽可能简化系统的连结作业。

　　图 2. NI FlexRIO 转接器模组开发组合 (MDK) 具有客制转接器模组的详细资讯：从配置、模组开发，到最后产品
适用于元件或客制电路检验的 NI FlexRIO
　　除了为 I/O 新增特定应用的电路之外，工程师亦可使用 NI FlexRIO 来评估最先进的电子元件，并检验转接器模组内部的电路设计。NI FlexRIO FPGA 模组前端接头具有 132 个高速数位通道，可探测、控制、通讯，并量测电子设计的多种数位讯号。透过 LabVIEW FPGA Module，工程师可使用高阶设计工具，以建置协定知觉 (Protocol-Aware) 测试台，其中并具备硬体时脉决策功能与奈秒 (Nanosecond) 的反应速率。接着仅需更换转接器模组，即可使用相同的测试平台，针对完全不同的电路或晶片进行测试。由于科技不断推陈出新，因此更需要具有广泛用途的弹性测试系统，而 NI FlexRIO 不仅可适用于低阶规格，并可降低客制硬体设计的时间与成本。

　　图 3. NI FlexRIO 系统中的 FPGA，透过 CLIP Node 整合其他制造商的 IP 核心，并沟通转接器模组
于 LabVIEW FPGA 中建立客制 I/O 节点
　　透过 NI FlexRIO，工程师可完全利用 LabVIEW FPGA Module 8.6 全新元件层节点 (Component-Level IP (CLIP) Node) 功能优势。CLIP Node 进一步整合 LabVIEW 程式区与 VHDL 或任何硬体描述语言 (HDL)。此新功能可协助使用者透过 LabVIEW 图形化程式设计方式，非同步执行 HDL 程式，以利用其他制造商 IP 核心的功能。
　　NI FlexRIO FPGA 模组使用称为插槽式 (Socketed) CLIP 的特殊版本 CLIP Node，可让 HDL 程式码存取FPGA 晶片上的实体 I/O 针脚，并将转接器模组的客制 I/O 加入 LabVIEW FPGA 的程式区中。插槽式 CLIP Node 中的 HDL 程式码可为简单的过渡逻辑，亦可为资料流解码的复杂状态机器。系统接着建立 XML 档案，以将 LabVIEW FPGA I/O 节点新增至 LabVIEW 专案中，并于 CLIP Node 中揭露讯号以作为标准的 LabVIEW 资料类型。在 CLIP Node 定义 I/O 之后，NI FlexRIO 的程式设计方式将等同于 NI CompactRIO、R 系列，或其他任何 LabVIEW FPGA 系统。
虚拟仪控持续发展
　　从数十年前首次发表虚拟仪控的概念以来，即以「使用者定义的测试系统」为其趋势，而 NI FlexRIO 正是重要的下一步。透过可互换的转接器模组，工程师可确实针对 I/O 需求建立解决方案。再整合 LabVIEW FPGA 与 Virtex-5 FPGA 系统的强大架构，即便是为复杂的设计与测试应用，NI FlexRIO 亦可提供图形化系统设计 (GSD) 的弹性。